(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu nâng cao tính chất của một số vật liệu polyme bằng khoáng talc biến tính hữu cơ

MỞ ĐẦU
Talc (Mg3Si4O10(OH)2) là khống chất thuộc nhóm khống silicat. Với cấu trúc
tinh thể, các đặc tính lý hóa đặc thù, khoáng chất talc đã được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều ngành công nghiệp như: gốm sứ, thủy tinh, chất dẻo, cao su, sơn và vật liệu
phủ; giấy, nông nghiệp, cơng nghiệp thực phẩm, và hóa mỹ phẩm.
Talc là một khống chất được sử dụng nhiều trong cơng nghiệp chủ yếu do tính
chất hóa học bề mặt độc đáo và tinh thể dạng phiến của nó với tỷ lệ hình hoc rất lớn.
Talc tương tác khá tốt với nhiều polyme nền [1-4].
Để tương tác giữa chất độn và vật liệu nền polymer được tốt hơn, nhiều tác giả
[5-7] đã biến đổi bề mặt chất độn bằng các hợp chất silan trước khi đưa vào nền
polyme.
Việt Nam là nước có mặt trên bản đồ khoáng talc thế giới nhưng chưa khai thác
và sử dụng có hiệu quả loại loại khống chất đặc biệt này. Xuất phát từ tầm quan trọng
của khoáng talc cũng như tính đặc thù về khả năng tương tác của chúng với các vật
liệu nền, trong dó có vật liệu nền polymer, chúng tôi đã đề xuất luận án tiến sỹ:
“Nghiên cứu nâng cao tính chất của một số vật liệu polyme bằng khống talc biến tính
hữu cơ”.
Mục tiêu của luận án là:
Nghiên cứu biến tính bề mặt khoáng talc bằng hợp chất silan để tăng khả năng
tương hợp với vật liệu cao su và nhựa epoxy.
Nghiên cứu sử dụng khống talc để gia cường tính chất vật liệu polyme, điển
hình là cao su thiên nhiên và blend cao su NBR/PVC; tăng khả năng bảo vệ và khả
năng phồng nở chống cháy của lớp phủ trên cơ sở chất tạo màng là nhựa epoxy.
Các nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:
Khảo sát khoáng talc và nghiên cứu biến tính bề mặt khống talc
Nghiên cứu khả năng gia cường của khoáng talc cho cao su
Nghiên cứu ảnh hưởng của khoáng talc đến khả năng bảo vệ của màng phủ

1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1. 1. Khoáng talc và các đặc điểm cơ bản
Talc là một khoáng chất trong tự nhiên được khai thác từ lớp vỏ trái đất. Chính xác
hơn, talc là hydrat magie silicat thuộc họ của phyllosilicates. Bình thường, talc được cho là
đá xà phịng do có cảm giác giống xà phịng khi chạm vào.
Cơng thức hóa học của talc là Mg3Si4O10(OH)2 [8,9], tồn tại dưới dạng bánh kẹp với
cấu trúc tinh thể. Talc bao gồm một lớp Mg(OH)2 kẹp giữa là hai lớp SiO2 [10]. Các lớp đều
trung hịa điện tích, xen giữa chúng khơng có cation trao đổi và chúng liên kết với nhau
bằng lực liên kết yếu (xem hình 1.1 và 1.2). Điều này dẫn đến độ cứng thấp và có khuyết tật
trong trình tự sắp xếp các lớp của talc [11].
OHO--2Si+4
Mg+2

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể khống talc [10]

Hình 1.2. Talc dưới kính hiển vi điện tử quét [12]
2


Giữa các tập hay các phiến talc được liên kết với nhau bằng các lực Van Der
Waals yếu do vậy chúng cũng rất dễ tách ra khỏi nhau [13]. Tinh thể talc kết tinh trong
hệ đa nghiêng hoặc đơn nghiêng có hình thái dạng phiến, dạng hạt, hay dạng sợi [14].
Các khoáng vật đi cùng với talc thường là chlorit, tremolit và các carbonat như
magnesit, calcit và dolomit. Hầu hết cấu trúc của talc rất gần với thành phần lý tưởng.
Tuy nhiên, trong tự nhiên, nó có dấu vết của các vị trí thay thế đồng hình mà khơng có
trường hợp ngoại lệ. Thay thế đồng hình trong cấu trúc khoáng vật talc thường là Fe2+
và Fe3+ thay thế Mg2+ và đồng thời Al3+ thay thế Si4+ với nhiệm vụ duy trì sự cân bằng
[15]. Sự đa dạng về thành phần do khoáng chất đi kèm và thay thế đồng hình sẽ ảnh
hưởng đến chất lượng và kéo theo sự hạn chế hoặc lợi thế trong ứng dụng của talc [16,
17].

Micoud et al đã nghiên cứu mẫu talc ở Trimouns và mẫu chlorite ở Pyrénées
của Pháp nổi tiếng thế giới bằng các phương pháp quang phổ khác nhau [18]. Họ chỉ
ra rằng những sự thay thế nhỏ gây ra sự thiếu hụt điện tích trong lớp tứ diện đã được
bù bằng một lượng điện tích quá mức trong lớp bát diện, đảm bảo tính trung hịa điện
của cấu trúc. Petit et al đã nghiên cứu tinh thể hóa học của nhiều mẫu talc từ các nguồn
khác nhau [19]. Sự đa dạng và phức tạp về tình trạng điện tích đã gây khó khăn để đưa
ra một kết luận khái quát về tính chất hóa học của talc. Thảo luận chi tiết về tinh thể
hóa học của các khống clay có thể được tìm thấy trong cơng trình của Newman [20].
Talc tinh khiết có màu trắng [15]. Màu sắc của talc trong tự nhiên thay đổi, có
thể là màu trắng, nâu, xanh hoặc xanh nhạt [21], cũng có thể là màu hồng và thậm chí
là màu đen. Màu của talc khơng rõ ràng khi ở dạng nhỏ và mỏng. Talc còn có màu bạc
hoặc ánh ngọc trai đặc trưng. Tuy nhiên, khi nghiền nhỏ, Tất cả các loại bột talc đều có
màu sắc từ màu xám tới màu trắng với độ sáng khác nhau.
Talc khơng hịa tan trong nước và ít tan trong axit lỗng. Nó cho độ cứng 1 trên
thang đo độ cứng Mohs từ 1-10 [22,23]. Các lớp silicat của nó nằm trên đỉnh của một
lớp khác, khơng có liên kết hóa học nhưng được giữ bởi các lực Van der Waals yếu,
cho phép chúng dễ dàng trượt qua nhau [24]. Điều này giải thích cho sự mềm mại của
talc, tính trơn nhờn, cảm giác giống xà phịng khi chạm tay vào nên nó được gọi là “đá
xà phịng” và được sử dụng như một chất bôi trơn ở nhiệt độ cao. Trọng lượng riêng
của talc nằm trong khoảng 2,5 -2.8 g/cm3 [25]. Steatit là đá có chứa talc thô và đá xà
3


phịng, là một loại talc khơng tinh khiết [26]. Nó chứa các khoáng chất khác như canxi,
clorit, dolomit, magnesit, thạch anh, tremolit hoặc vecmiculit [24].

Hình 1.3. Một số quặng talc có màu khác nhau [12]
1.1.1. Tính chất hóa lý của khống talc
Talc là thành phần chính của đá được gọi là đá xà phòng hoặc steatit. Thành
phần talc thay đổi tùy thuộc vào nguồn gốc của nó. Yếu tố quan trọng nhất là số lượng

có mặt của tremolit. Ví dụ ở Hoa Kỳ, talc ở Montana được coi là amiăng và tremolite
tự do. Talc ở California giống dạng đĩa, chứa một lượng nhỏ tremolit (ít hơn 3%),
trong khi talc cứng chứa từ 5 đến 25% tremolit [27].
Talc không mùi, không hòa tan trong nước, axit yếu và kiềm. Mặc dù Talc có ái
lực rõ rệt đối với một số hóa chất hữu cơ, nhưng nhìn chung nó có rất ít phản ứng hóa
học, khơng nổ cũng khơng dễ cháy.
Talc là một chất khơng dẫn điện, do đó được sử dụng trong sản xuất vật liệu
cách điện cao tần.
Talc ổn định ở nhiệt độ cao, tới 1650 0F (900 0C), có tính dẫn nhiệt thấp và khả
năng chống sốc nhiệt cao. Talc tinh khiết ổn định nhiệt đến 930 0C và mất nước liên
kết tinh thể (4,8%) trong khoảng từ 9300C đến 9700C, tạo ra enstatit (anhydrit magiê
silicat) và cặn cristobalit. Enstatit cứng hơn đáng kể so với talc với độ cứng 5-6 moh
[28]. Hầu hết các sản phẩm talc thương mại đều bị phân hủy ở nhiệt độ 9300C do sự
4


hiện diện của cacbonat, nó mất cacbon dioxit ở 6000C và clorit mất nước ở 8000C.
Nhiệt độ nóng chảy của talc là 15000C. Khi nung, talc có hiệu ứng nhiệt mạnh bắt đầu
từ 9000C, thông thường là 920-1060°C nếu nung nóng trong mơi trường khơng khí. Ở
khoảng nhiệt độ này talc bị mất nước hóa học tạo thành magiê metasilicat [29,30]:
3 MgO.4SiO2.H2O

3 MgSiO3 + SiO2 + H2O

(talc)
Khi đó SiO2 được tách ra ở trạng thái vơ định hình. Ở 11000C nó chuyển một
phần sang cristobalit kèm theo giãn nở thể tích. Cristobalit có khối lượng riêng nhỏ và
nó sẽ bù trừ sức co khi nung talc. Vì thế, thể tích khống talc khi nung rất ổn định.
Nhờ tính ổn định thể tích và độ mềm của nó cho phép ta tạo quặng talc thành dạng
viên, có thể sử dụng làm gạch xây lị, buồng đốt nhiên liệu khí.

Talc khơng bị phân hủy bằng axit trừ axit flohydric (HF), nó có thể sử dụng làm
vật liệu chịu lửa forsterite theo phản ứng :
3.MgO.4SiO2.H2O + 5MgO → 4[2MgO.SiO2] + H2O
Tạp chất Al2O3 và CaO làm giảm độ chịu lửa của sản phẩm. Oxit sắt mặc dù
xúc tiến quá trình kết khối của gạch forsterite nhưng hạ thấp độ chịu lửa của chúng.
FeO có trong nguyên liệu magiê silicat sẽ bị oxi hóa ở nhiệt độ 500-600°C. Ở nhiệt độ
cao hơn nó sẽ phản ứng với forsterite để tạo metasilicat magiê theo phản ứng :
2MgO.SiO2 + Fe2O3 → MgO.SiO2 + MgO.Fe2O3
Cấu trúc dạng phiến cung cấp vật liệu chứa talc có các tính chất quan trọng,
chẳng hạn như điện trở suất cao và độ thấm khí thấp. Điều này xảy ra bởi vì đường
khuếch tán khí phức tạp [31]. Một số tính chất độc đáo khác của talc có liên quan đến
cấu trúc, bao gồm cả tác dụng bơi trơn của nó, gây ra bởi sự phân tách dễ dàng, độ mài
mòn thấp bởi vì talc là khống chất mềm nhất trong thang độ cứng của mohs và tính
kỵ nước trên bề mặt của nó. Khả năng kỵ nước có thể tăng hơn nữa bằng cách phủ trên
bề mặt bằng kẽm stearate.
1.1.2. Nguồn gốc hình thành khống talc [32,33]
Talc là khống vật có nguồn gốc biến chất (bao gồm cả biến chất tiếp xúc và
biến chất khu vực) và nguồn gốc biến đổi nhiệt dịch các đá phun trào mafic và siêu
mafic chứa magiê. Khống vật này thường có mặt trong đá biến chất như một khoáng
5


chất thứ sinh [34-36]. Các phản ứng hình thành talc được công bố trong tài liệu của Deer
et al. [37]. Talc thu được do biến đổi các khoáng giàu magiê như serpentin, Pyroxene,
Amphibole, Olivin, với sự có mặt của cacbon dioxit và nước được biết như talc
cacbonat hóa. Kết quả tạo ra đá talc cacbonat. Chủ yếu là hydrat hóa và cacbonat hóa
của serpentine dẫn đến hình thành talc thơng qua phản ứng sau.
Serpentin + Carbon dioxit Talc+ Magnesit + Nước
2 Mg3Si2O5(OH)4 + 3 CO2 = Mg3Si4O10(OH)2 + 3 MgCO3 + 3 H2O
Talc cũng được tạo ra do biến đổi của dolomit [CaMg(CO3)2] hoặc Magiezit

(MgO) với sự có mặt của silica (SiO2) hòa tan trong nước dư. Điều này liên quan đến
sự khan hiếm của dolomit ở silica có trong các quầng biến chất tiếp xúc.
Dolomit + Thạch anh + Nước Talc + Calcit + Carbon-dioxit
3 CaMg(CO3)2 + 4 SiO2 + H2O = Mg3Si4O10(OH)2 + 3 CaCO3 +3 CO2
Talc có thể được hình thành từ magiê clorit và thạch anh trong diệp thạch xanh
và đá eclogit biến chất thông qua các phản ứng biến đổi sau đây.
Chlorit + Thạch anh + Oxy → Talc + Kyanit + Hematit + Nước
200(Mg3.97,Al2.5,Fe0.5)(Si2.9)O10(OH)8 + 711SiO2 + 14O2 →
274Mg2.9Al0.19Si3.9O10(OH)2 + 223Al2SiO5 + 50Fe2O3 + 526H2O
Trong phản ứng này, tỷ lệ talc và kyanit phụ thuộc vào hàm lượng nhơm, đá
chứa nhơm có nhiều hơn sẽ tạo ra kyanite nhiều hơn [38].
Talc là khoáng biến chất ở các vành đai biến chất có chứa các loại đá siêu cứng
như đá xà phòng, diệp thạch trắng và diệp thạch xanh biến chất. Diệp thạch trắng bao
gồm vành đai biến chất Franciscan của miền tây Hoa Kỳ, dãy núi Alps thuộc Tây Âu ở
Ý, một số có nguồn gốc va chạm khi hình thành núi như dãy núi Hymalaya, kéo dài
dọc theo Pakistan, Ấn Độ, Nepal và Bhutan [39]. Ở Tây Úc, talc hình thành thơng qua
các cuộc xâm nhập siêu mafic. Tập đoàn Luzenac là nhà cung cấp talc khai thác lớn
nhất thế giới, sản xuất 8% sản lượng của thế giới [23].
Talc có mặt ở nhiều nơi trên thế giới, tập trung nhiều ở Châu Âu và Mỹ. Các
mỏ talc lớn trên thế giới được phát hiện và khai thác ở Texas, Georgia và New York

6


của Hoa Kỳ; The Piedmont, Lombardy và Sardinia của Italia; và vùng Luzenac của
Pháp.

Hình 1.4. Phân bố các mỏ talc trên thế giới [12]
1.1.3. Thành phần hóa học và thành phần khống talc [40]
Thành phần hóa học

Bột talc là một loại khống chất có sẵn trong tự nhiên. Bột talc có tên gọi hóa
học là hydrous magnesium silicate và có cơng thức hóa học là Mg3Si4O16(OH)2 với tỷ
lệ MgO: 31,9% , SiO2: 63,4% và H2O: 4,7%. Trong tự nhiên quặng talc thường chứa
các tạp chất như FeO, Al2O3, Na2O, K2O, CaO...với hàm lượng vài phần trăm. Trong
những tạp chất trên người ta lưu ý nhiều đến thành phần của các oxit kim loại nhóm d
vì chúng có khả năng gây màu, mạnh nhất là FeO. Nếu sử dụng talc làm nguyên liệu
sản xuất gốm, sứ hay vật liệu chịu lửa thì người ta thường chọn talc có thành phần FeO
nhỏ. Màu của talc thường là màu xanh sáng, trắng hoặc xanh xám. Nếu FeO lớn thì có
màu trắng ngà hoặc phớt hồng. Bột talc sử dụng làm chất độn cho giấy hay phụ gia
cho chất dẻo thì hàm lượng sắt phải được giảm thiếu để đảm bảo độ trắng của sản
phẩm.
Thành phần khoáng chất
Tùy loại quặng talc khác nhau và tỷ lệ kết hợp những khống có mặt, chúng ta
có thể chia thành hai loại chính theo mỏ: talc-clorit và talc-cacbonat. Quặng talc-clorit
gồm chủ yếu talc (đôi lúc 100%) và clorit (gọi là magiê hydrat và nhôm silicat). Clorit
dạng phiến, mềm và ưa hữu cơ giống talc. Tuy nhiên nó hơi ít thấm nước hơn talc.
Quặng talc-cacbonat chủ yếu gồm talc cacbonat và vết tích của clorit. Cacbonat điển
7


hình là magiêzit (magiê cacbonat) hoặc dolomit (magiê và canxi cacbonat). Quặng talc
cacbonat được loaị bỏ các khoáng khác để thu được hàm lượng talc tinh khiết hơn.
Do nguồn gốc của talc được hình thành từ quá trình biến đổi nhiệt dịch đá giàu
magiê, các đá silicat trầm tích, các đá cacbonat magiê nên ngồi talc
Mg3[Si4O10(OH)2] thì cịn có các khoáng như: dolomit Mg.Ca(CO3)2; manhezit
MgCO3; serpentin 4MgO.2SiO2.2H2O; actinolit Ca2Fe5[Si4O11]2.(OH)2;

manhetit

Fe3O4; hêmantit Fe2O3…

Trong thực tế cùng họ khoáng silicat magiê ba lớp có khống pyrophillit
Al2O3.2SiO2.H2O mà trực quan và một số tính chất vật lý ứng dụng rất giống talc.
1.1.4. Phân loại
Talc được phân loại theo thành phần khống chất, hình thái và yếu tố địa lý
[41]. Sự phân loại này giúp định hướng cho quá trình chế biến và sử dụng talc.
Talc dạng phiến: loại talc này có cấu trúc dạng phiến rõ ràng, rất mềm mịn,
thường chứa tới >90% khoáng chất talc (ở dạng tự nhiên hay sau khi chế biến). Loại
talc này có thể được sử dụng trong mỹ phẩm, dược phẩm, và chất gia cường.
Talc steatit: là loại talc có độ tinh khiết cao, đặc sít, hạt rất mịn (có thể do
nghiền). Loại talc này có tính chất cách điện cao và được sử dụng trong sản xuất sứ
cách điện. Đây là loại talc thương phẩm tinh khiết nhất.
Đá xà phịng: là loại talc ít tinh khiết hơn talc steatit, có thể được chạm khắc,
xẻ, khoan hoặc chế biến. Do có tính chất bền hóa học, độ chịu nhiệt cao và đặc sít, talc
dạng này có thể dùng để chế tạo các sản phẩm như bồn, bếp lò.
Talc tremolit: là loại talc hạt mịn nhưng rất cứng, thường chứa <50% khống
chất talc, nhưng các tính chất lại bị quyết định bởi khoáng vật tremolit cứng và khoáng
vật serpentin dạng phiến, mịn. Đá talc dạng này cũng có thể chứa một lượng nhỏ
anthophyllit (khống vật nhóm amphibol) dạng lăng trụ, và chút ít các cacbonat và
thạch anh. Nó thiếu các đặc tính dạng phiến, mềm, kị nước của talc và thường không
được kể đến trong các ứng dụng truyền thống của talc. Tuy nhiên, lợi dụng các tính
chất khơng điển hình này mà talc dạng này được ứng dụng trong sản xuất sứ gốm và
sơn.
8


Talc còn được phân loại theo chuẩn chất lượng ISO 3262 [42] như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn chất lượng talc theo ISO 3262
Hàm

Mất khi nung ở

Khả năng hòa talc

lƣợng talc

1000°C (%)

trong HCl tối đa (%)

A

95

4 – 6,5

5

B

90

4–9

10

C

70

4 – 18

30

D

50

4 – 27

30

Loại

Do talc có cấu trúc phiến nên dễ dàng phối trộn với các loại nhựa, nó là hàng
rào tốt chống lại sự xâm nhập nước, dầu và khí (CO2 và O2). Điều này làm cho talc có
lợi thế rõ ràng khi sử dụng trong chế tạo bao bì, nhất là bao bì bảo vệ thực phẩm [10].
Những đặc tính của talc như trên có ảnh hưởng nhiều tới khả năng sử dụng làm
chất độn cho polyme. Talc mềm nên khó nghiền mịn và dẫn đến phân bố kích thước
rộng; talc có ít các nhóm định chức OH và chỉ định vị ở cạnh các phiến nên không
thuận lợi cho quá trình biến đổi bề mặt bằng các hợp chất silan; các phiến talc liên kết
với nhau bằng các lực Van der Waals yếu nên dễ trơn trượt lên nhau, tạo điều kiện
thuận lợi khi trộn hợp với nhựa, polyme, ít gây mịn thiết bị và có thể trộn với hàm
lượng lớn; talc bền nhiệt tới 9000C nên có thể tăng cường độ bền nhiệt cho vật liệu
polyme.
Talc là một thành phần trong giấy, sơn, nhựa, cao su, ceramic, phân bón, thức
ăn gia súc, mỹ phẩm, dược phẩm và các ứng dụng khác.
Trong nhựa, sử dụng talc làm tăng độ cứng của nhựa nhiệt dẻo, chủ yếu là
polypropylen nhưng cũng có thể là polyetylen và polyamit (nylon), ứng dụng chủ yếu
trong các bộ phận động cơ, thiết bị gia dụng và nhựa kỹ thuật [43].
Việc phân lớp, phân tán, phân bố của talc bên trong polyme, tương tác pha giữa

các hạt talc và polyme nền, tất cả đều có ảnh hưởng tới tính chất của polyolefin/talc.
Talc chưa xử lý bề mặt sẽ dẫn đến quá trình kết tụ khi được phối trộn với polyolefin,
kết quả là độ phân bố thấp. Bên cạnh đó, khả năng tương hợp kém giữa bề mặt talc và
polypropylene (PP) dẫn đến độ bám dính bề mặt pha thấp, kết quả là tính chất cơ lý
9


của vật liệu không cao.
Để tăng cường khả năng tương tác pha, từ đó nâng cao tính chất cơ lý của vật
liệu, phương pháp được sử dụng phổ biến ngày nay là biến đổi chất nền, bề mặt chất
độn, hoặc cả hai. Biến đổi chất nền thực hiện bằng cách sử dụng peroxit, nhưng tính
chất cuối cùng bị suy giảm bởi vì khối lượng phân tử suy giảm do sự cắt mạch. Tăng
tương tác pha giữa chất độn - chất nền có thể đạt được bằng biến đổi bề mặt chất độn.
Sử dụng tác nhân ghép nối làm giảm sự kết tụ của hạt chất độn cũng như tăng khả năng
phân bố của nó trong nền polyme [44].
Để cải thiện tính chất cơ của PP/talc, Luciana Castillo và các cộng sự đã ghép
nhóm acetoxy (-COOCH3) lên bề mặt bột talc. Q trình xử lý bề mặt khống talc đã
giúp cải thiện độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt của vật liệu [44].
Chuah Ai Wah và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân liên
kết titan đến tính chất lưu biến, các đặc trưng phân tán và tính chất cơ lý của vật liệu
PP được gia cường bột talc. Kết quả chỉ ra rằng độ chảy nhớt của vật liệu giảm trong
khi khả năng phân tán của các hạt chất độn trong chất nền được tăng cường với sự có
mặt của tác nhân liên kết [45]. Xác định nhiệt độ thủy tinh hóa cho thấy ảnh hưởng
dẻo hóa gây ra bởi tác nhân liên kết, từ đó dẫn tới sự thay đổi đáng kể các đặc trưng về
hình thái cấu trúc và các tính chất cơ lý.
1.2. Hợp chất silan
Silic là một nguyên tố thuộc cùng nhóm nguyên tử với cacbon trong bảng hệ
thống tuần hoàn. Trong trạng thái cân bằng, cả cacbon và silic đều tạo liên kết hóa trị
với 4 nguyên tử khác, nhưng các hợp chất của silic bộc lộ những tính chất vật lý và
hóa học quan trọng, khác với các hợp chất của cacbon tương đương. Silic có tính

dương điện hơn cacbon, khơng tạo liêt kết đơi và có khả năng tham gia những phản
ứng rất đặc biệt và hữu ích. Các hợp chất của silic bao gồm các hợp chất đơn phân tử
và polyme [46].
Các hợp chất silan là các hợp chất đơn phân tử của silic. Cấu trúc của một hợp
chất silan và một hợp chất của cacbon tương đương được biểu diễn ở hình 1.5.

10


H

H
H3C

C

H3C

OCH3

Si

OCH3

CH2CH2CH2NH2

CH2CH2CH2NH2
(a) Hợp chất của cacbon

(b) Hợp chất của silic

Hình 1.5. Phân tử hữu cơ (a) và phân tử silan (b)
Bốn nhóm phân tử liên kết với cacbon và silic được lựa chọn để giải thích sự
giống và khác nhau về tính chất vật lý và hóa học giữa hợp chất của cacbon và hợp
chất của silic. Các hợp chất mà cấu trúc của nó có chứa ít nhất một liên kết C-Si được
gọi là các hợp chất silan hữu cơ. Liên kết C-Si rất bền vững, không phân cực và năng
lượng bề mặt tăng chậm. Các hợp chất của cacbon cũng có ảnh hưởng tương tự kém
hơn so với các hợp chất silan.
Tác nhân liên kết silan là các hợp chất hóa học của nguyên tử silic có chứa hai
nhóm hoạt động trên cùng một nguyên tử với cấu trúc điển hình là:
(RO)3SiCH2CH2CH2-X
Trong đó RO là nhóm có khả năng thủy phân như: metoxy, etoxy hay
acetoxy,…và X là nhóm chức hữu cơ như: amino, metacryloxy, epoxy,…[46,47].
Những nhóm này thể hiện vai trị chức năng khác nhau và có thể phản ứng lần
lượt. Một tác nhân liên kết silan sẽ hoạt động ở bề mặt phân cách pha giữa chất vô cơ
(như thủy tinh, kim loại hay khoáng chất) và một vật liệu hữu cơ (như polime hữu cơ,
chất phủ hay chất kết dính) để liên kết hay ghép nối hai loại vật liệu khơng giống nhau
này.
Silan có thể thực hiện tương tác giữa các nền vô cơ như thuỷ tinh, kim loại hay
khoáng chất với các vật liệu hữu cơ như cao su hay polyme tạo thành các liên kết hoá
học hay kết nối khác.

11


1.2.1. Biến tính bề mặt bột khống bằng các hợp chất silan
Q trình biến tính bề mặt
khống xảy ra qua bốn giai đoạn:
1. Đầu tiên 3 nhóm alkoxy bị
thuỷ phân tạo thành silanol,

2. Tiếp đó là q trình ngưng tụ
của các silanol thành oligome,
3. Các oligome sau đó tạo liên
kết hydro với các nhóm
hydroxyl có trên bề mặt của
bột khống,
4. Cuối cùng là q trình làm khơ
cùng với sự tách nước tạo
thành các liên kết hóa trị giữa
hợp chất silan với bột khống.

Hình 1.6. Cơ chế phản ứng silan hóa
trên bề mặt chất độn [47-49]

Sau khi được biến tính bề mặt, các chất độn hay chất màu sẽ xuất hiện các
nhóm chức của phân tử silan trên bề mặt của chúng:
Silan

Chất độn
hoặc
bột màu

Chất độn
hoặc
bột màu

Nhóm hoạt
động

Hình 1.7. Bề mặt chất độn sau khi được biến tính bằng hợp chất silan

12


Hợp chất silan trước hết được biết đến như là tác nhân làm cho các chất độn vô
cơ và chất màu trở nên dễ dàng phân tán và ổn định tốt hơn trong các vật liệu polyme.
Bề mặt của chất độn được chức hóa để cải thiện khả năng tương tác với chất
nền polyme thông qua các tương tác vật lý hay các phản ứng hóa học giữa polyme và
các nhóm chức trên phân tử silan. Nhóm chức trên phân tử silan được lựa chọn để
tương thích với chất nền polyme, giúp cho các hạt chất độn phân tán dễ dàng hơn
trong nền polyme (xem hình 1.8)

Khơng
silan

Có silan

Hình 1.8. Chất độn được xử lý bề mặt bằng silan phân tán
dễ dàng hơn trong chất nền polyme
Việc xử lý chất độn bằng các hợp chất silan cũng tạo ra các lớp bảo vệ để ngăn
cản quá trình tái kết tụ của các hạt (xem hình 1.9):

Khơng xử lý

Xử lý với silan

Hình 1.9. Cơ chế bảo vệ, ngăn tái kết tụ các hạt chất độn của hợp chất silan
Trong các lĩnh vực vật liệu cao su, sơn, nhựa,...việc biến tính bề mặt chất độn
bằng các hợp chất silan sẽ có những tác dụng cơ bản sau:
a. Tăng khả năng phân tán
Sử dụng các tác nhân phân tán silan đưa đến sự cải thiện đáng kể khả năng phân

tán của các chất độn và chất màu trong các hệ polyme. Các hệ polyme đó có thể là
nhựa nhiệt rắn, nhựa nhiệt dẻo hoặc cao su,…

13


Các hợp chất alkoxysilan, như methyltrimethoxysilane - CH3-Si(OCH3)3 sẽ tạo
ra các lớp bảo vệ để giảm xuống mức thấp nhất khả năng tái kết tụ của các hạt chất
độn và loại bỏ ảnh hưởng của bề mặt đến khả năng lưu hóa và tính chất điện của nhựa.
Đối với các hệ nhựa nhiệt dẻo, việc cải thiện khả năng phân tán sẽ dẫn đến các
kết quả:
-

Hàm lượng chất độn hay chất màu đưa vào hệ cao hơn

-

Độ nhớt nội của vật liệu thấp hơn

-

Khuyết tật trên bề mặt vật liệu thấp hơn

-

Tính chất cơ lý tốt hơn

-

Tính chắn ánh sáng của các chất màu tốt hơn (ví dụ: TiO2)

Với các hệ nhựa rắn, khả năng phân tán của chất độn tốt hơn thường đưa đến

kết quả làm giảm khả năng tạo bọt khí trong sản phẩm, độ nhớt ở trạng thái lỏng thấp
hơn. Cho phép chảy dễ dàng hơn trong quá trình tạo mẫu và làm tăng khả năng sử
dụng tỷ lệ các chất độn giá rẻ.
b. Giảm độ nhớt
Quá trình đưa chất độn vào trong polyme nóng chảy làm tăng độ chảy nhớt của
chất hỗn hợp. Độ nhớt tăng phụ thuộc vào nhiều thông số như:
-

Độ nhớt của polyme nóng chảy

-

Hàm lượng chất độn

-

Khả năng kết dính giữa polyme và chất độn

-

Phân bố kích thước hạt chất độn
Xử lý các hạt chất độn với silan làm cho khả năng tương tác của chất độn với

polyme tốt hơn, giúp cho các chất độn phân tán tốt hơn và làm cho hỗn hợp có độ nhớt
thấp hơn so với chất độn khơng được xử lý. Điều này làm cho q trình gia công trở
nên dễ dàng hơn, độ đồng nhất cao hơn, chất lượng bề mặt sản phẩm tốt hơn, hàm
lượng chất độn đưa vào cao hơn.
Hình 1.10 cho biết ảnh hưởng của việc xử lý bề mặt TiO2 bằng hợp chất silan

đến mơmen xoắn và nhiệt độ nóng chảy của PE/TiO2 ở hàm lượng 80% TiO2.

14


TiO2 đã xử
lý (không
bằng silan)

TiO2 đã xử lý
(không bằng
silan)

TiO2 xử lý
bằng silan

TiO2 xử lý
bằng silan

TiO2 không xử lý

Giới hạn 100%
Nhiệt độ nóng chảy

TiO2 khơng xử lý

Mơ men xoắn (%)

Có thể làm việc

Hình 1.10. Sử dụng TiO2 xử lý bề mặt bằng silan làm giảm
momen xoắn và nhiệt độ nóng chảy của PE
c. Giảm những hạn chế trong q trình đóng rắn
Các chất độn được biết có những ảnh hưởng ở những mức độ khác nhau đến hệ
đóng rắn của nhựa nhiệt rắn, dẫn đến hạn chế khả năng đóng rắn của chúng. Hợp chất
silan làm tác nhân phân tán có thể làm giảm thiểu những hạn chế nêu trên. Các chất
độn được xử lý bằng silan khắc phục được những hạn chế trong quá đóng rắn của cả
hai hệ polyeste và epoxy. Các chất silan là tác nhân phân tán tốt nhất thường cho nhiệt

Giảm tỏa nhiệt, ΔT (0C)

cao nhất (xem hình 1.11.).
Nhựa tỏa nhiệt với chất độn được xử lý bằng silan

Khơng xử lý

Các hệ vật liệu

Hình 1.11. Các chất silan cho độ giảm tỏa nhiệt lớn nhất
và là tác nhân phân tán tốt nhất
d. Nâng cao tính chất điện
Khả năng tăng cường tính chất điện của các tác nhân phân tán silan được thể hiện
trong bảng 1.2. với nhựa epoxy được gia cường bằng chất độn thạch anh.

15